1、光电子学总复习主讲教师：能级能级能带能带N条条能隙，禁带能隙，禁带 E1、越是外层电子，能带越宽，E越大；2、原子间距越小，能带越宽，E越大；3、两个能带有可能重叠。能级能带N个原子构成晶体时的能级分裂N=4N=9当 N 很大时能级分裂成近似连续的能带N个原子的情况n原来孤立原子的能级发生分裂，若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成 N条靠得很近的能级，称为能带（energy band）。n能带的宽度记作 E，E 1eV 的量级。n若N1023，则能带中两相邻能级的间距约为10-23eV。nSi和Ge的晶格常数分别为0.54和0.57nm，从而求得Si每平方厘米内有5.00
2、1022个原子，Ge有4.421022个原子。受激辐射n受激辐射：当受到外来的能量 的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。12EEh受激辐射自发辐射n自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为 的光子n特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。12EEh自发辐射 受激吸收n受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程n特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程受激吸收12EE
3、hn单位时间内粒子体系从辐射场吸收的光子数目=单位时间内粒子体系向辐射场发射的光子数目n联立三式：tnBtnBtnAvvddd112221221自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数)1()1(82112212133TBkhvBeBBABehvcTkhv爱因斯坦关系式n当T趋近无穷大时，上式依然成立，则有nB12=B21说明了原子的吸收谱与发射谱相同n代入式中得到：n在折射率为的介质中2112BB3321218chBA33321218chnBA直接跃迁n动量守恒（选择定则）：n光的波矢：以可见光为例，典型波长为500nm，相对应的波矢绝对值为2104cm-1n电子的波矢：数量级为原子间距的
4、倒数（1/a），约为106108cm-1n光子动量远小于能带中电子的动量，即光子动量可以忽略不计，选择定则变为：n即电子跃迁过程中波矢不变。n能量守恒：0光子动量khkhkkEh电子能量差间接跃迁n在非直接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还与晶格交换一定的振动能量，即放出或者吸收一个声子。严格的能量守恒变为：n由于声子的能量很小，数量级在10-2eV以下，可以忽略不计。n动量守恒相应的变为：n简化之后，得到：n跃迁过程中电子波矢发生改变。负号表示发射声子，正号表示吸收声子。EEhp电子能量差小0光子动量qhkhkhqkkn激光n发光二极管n光电探测器n光纤及光纤通信激光的定义n激光准确内涵是
5、“来自受激辐射的放大、增强的光”。n英文全称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写为Laser，中文也常音译为“镭射”。n激光的产生原理是利用了物质原子受激辐射后发生跃迁的特性。粒子数反转n净辐射的光子数：n若N2N1，则光放大。n但是，由于粒子遵从玻尔兹曼分布，则有：n即N2N1的粒子数反转分布。dtNNBdNdN12121212)(TkEEBeNN1212EnE1E2n1n2n3TkEBen正常分布VS反转分布亚稳态n如何实现粒子数反转呢？n为了实现粒子数反转分布，必须供给原子能量，把低能级的原子搬到高能级上去
6、，这种过程叫做光抽运。n通过给物质提供能量，可以使较多的原子跃迁到高能级，如果物质具有亚稳态，就能实现粒子数反转。n亚稳态的寿命（约为10-3秒）介于基态和激发态（约为10-8秒）之间，如He、Ne、Ar、CO2等。n具有亚稳态的工作物质，就能实现粒子数反转分布，这种介质称为激活介质或增益介质。光学谐振腔n要获得具有一定寿命和强度的激光，必须加光学谐振腔，即光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。n谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不
7、再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。谐振腔的选择n三个因素：衍射损耗；模体积；腔体镜面的安装n模体积：激光模式在腔内所能扩展的空间范围。模体积大，对该模式的振荡有贡献的激发态粒子数就多，就可能获得大的输出功率。n光的损耗：光通过增益介质产生的损耗；光束在谐振腔镜面上由于透射、散射和吸收等因素而产生的损耗；光束在谐振腔中因衍射而产生的损耗 产生激光的前提条件n有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质；n有外界激励源,使激光上
8、下能级之间产生集居数反转；形成激光的内在依据n有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。形成激光的外部条件激光器的组成部分常用激光器由三部分组成：常用激光器由三部分组成：激光激光工作物质工作物质激励能源激励能源谐振腔谐振腔1M2M 工作物质工作物质 泵浦源泵浦源 光学谐振腔光学谐振腔阈值条件n光的增益超过光的损耗时，光波才能被放大n光放大：一段激活物质就是一个光放大器 n光损耗：几何偏折损耗；衍射损耗；腔镜反射不完全引起的损耗；材料中的非激活吸收、散射激光的四大特征n单色性单色性n方向性方向性n高亮度高亮度n相干性（本质）相干性（本质）激光的应用特点作用应用实例相干光可进行调制、传递
9、信息光纤通信平行度非常好传播很远距离能保持一定强度，可精确测距测速激光雷达可会聚于很小的一点，记录信息密度高DVD、CD、VCD机，计算机光驱亮度高可在很小空间短时间内集中很大能量激光切割、焊接、打孔医疗手术产生高压引起核聚变人工控制聚变反应PN结与粒子数反转n把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平。费米能级的位置n在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足gFFEhEE半导体激光器的三个条件n有源区载流子反转分布：加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到
10、能量较高的导带中去。n谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡n阈值条件：使增益损耗，有足够的注入电流。异质结的特性n高注入比n超注入现象n对载流子的限制n对光波的限制n窗口效应高注入比TkENNLDLDTkEqVpTkEqVnLDLDpnLDLDjjBgADnppnBvDpBcDnnppnnpnppnpnexpexpexp0000外加正电压V时(小注入条件下)由P区注入N区的空穴电流密度由N区注入P区的电子电流密度对于同质PN结：对于异质PN结：ADnppnpnnppnBDpBDnnppnnpnppnpnNNLDLDpnLDLDTkqVpTkqVnLDLDpnLDLDjj000000expexp
11、n如果N型区的带隙宽度大于P型区带隙宽度，即使两边掺杂浓度差不多时，可以获得很高的注入比决定晶体管的电流放大系数、激光器的注入效率和阈值电流。n注入比简写为：n r=D exp(Eg/kBT)n式中D为常数。n同质结：Eg=0，r=D。n异质结：r 随着Eg呈指数上升。n例如在p-GaAs/N-Al0.3Ga0.7As异质结中，它们的Eg=0.33eV，结果注入比r高达4105，因而注入比提高了七十四万倍。在同样的正向电压下，可以获得更高的注入电子浓度。超注入现象n加了较大正向偏置电压之后，N-AlxGa1-xAs/p-GaAs中，位于N区的导带上的电子的能量比p区的导带底的能量还高，在外加电
12、压的作用下，电子注入到p区的导带中，至使p区的电子比N区的电子还多(常规情况下是N区的电子多，p区的空穴多)。n在N-p结p区一侧载流子堆积得很多，即注入到p区的少子（电子）的浓度比N区的多子（电子）的浓度还多，以至于达到简并化的程度，这就是超注入现象，它也是光电子器件的重要物理基础之一。对载流子的限制n异质结对载流子的限制作用：界面处宽带一侧多了一个尖峰，而在窄带一侧出现了一个能谷，尖峰的存在阻止了电子向宽带一侧的运动。防止载流子向外泄漏n尤其是量子阱结构，对载流子的限制作用更明显。GaAsAlGaAsAlGaAs三角阱光子限制效应n异质结的折射率差能够提供波导结构，对于高折射率材料中传播的
13、光波具有光限制作用（类似于全反射），防止光波向外泄露。（希望有源区材料的折射率比与之相邻的限制层的折射率高，将光子限制在有源区）一般要求相对折射率差应为37%AlGaAsGaAsGaAsAlGaAsnn窗口效应n两种半导体材料在一起构成异质结时，由于禁带宽度不同，它们对光波的吸收波长也就不同。半导体只吸收波长小于带隙吸收边(g1.24Eg)的光波，而对于波长比g长的光波来说，它就是透明的。n假定Eg1Eg2，因此有g2 直接带隙材料-用于做光源-如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物)单质半导体材料-间接带隙材料-不适合做光源LED基本材料：-Ga1-xAlxAs
14、(砷化镓掺铝)：800850 nm短波长光源-In1-xGaxAsyP1-y(磷化铟掺砷化镓)：10001700 nm长波长光源x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长LED光源的材料和工作波长LED的工作特性n光谱特性n光束空间分布n输出光功率特性 n频率特性特点：1.自发辐射光-LED谱线较宽2.面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽3.长波长光源谱宽比短光源宽 -短波长GaAlAs/GaAs 谱宽3050 nm -长波长InGaAsP/InP 谱宽60120 nmLED的光谱特性注入效率n发光二极管主要是注入的电子在P区复合产生的光出射，注入效率是指通过PN结的电子电流与总电流之比
15、。表示为：n要增大注入效率，应使 ，即做成p-n+结，注入效率为100%。pppnnnnnnpnniLpqDLnqDLnqDIII00000pnpn内量子效率 int：辐射复合产生的光子数与注入的载流子数之比。111111intnrrr非辐射性复合时间辐射性复合时间辐射性复合时间非辐射性复合速率辐射性复合速率辐射性复合速率总复合速率辐射性复合速率qIhchqIhhPintintintLED电子电量的电流强度注入内量子效率合数量每秒钟内总的载流子复内量子效率那么LED的内部发光功率为：辐射发光效率（内量子效率）产生的光可以全部发射出去吗？cdText0sin241内部产生的光子总数发射出的光子数
16、目其中T()为菲涅尔透射系数。假定外界介质为空气(n2=1)，外量子效率为：例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，即光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。2)1(1 nnext和2intint)1(nnPPPextout逸出效率（外部量子效率）内量子效率 out：辐射复合产生的光子射出发光管外部的百分比。该过程中的损耗主要包括晶体的吸收和晶体界面的反射。LED和LD的性能比较器件LEDLD器件结构pn结异质结+谐振腔光输出功率通常1mw1-100nw或更大光谱半宽（nm）50-1500.5相干长度不相干长，毫米量级光束发散角度1201545工作原理自发辐射受激辐
17、射+光放大应用领域显示、照明、短距离光通信等光纤通信、光盘存储、激光测距、光纤传感、光学仪器等n激光n发光二极管n光电探测器n光纤及光纤通信半导体的光吸收n机理：载流子吸收光能跃迁；晶格振动吸收光能。n机制：本征吸收，杂质吸收，自由载流子吸收，激子吸收，晶格振动吸收。n条件：能量守恒，能量守恒n特征：存在长波限。本征吸收n本征吸收是指电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带的过程。产生本征吸收的基本条件是光子的能量必须大于或者等于禁带宽度，即：nv0为能够引起本征吸收的最低频率，相应的波长即为本征吸收光谱中的长波限，即：00chhEhg)()(1.240mVeEgSi本征吸收系数1641010 c
18、m 0.expexp11exp020202时，跃迁不发生，跃迁，吸收系数时，只能发生吸收声子在数跃迁皆可发生，吸收系时，吸收和发射声子的在pgppgpgpgppgppgpgEEhTkEEEhAEEhEETkEEEhTkEEEhAEEh13101 cm 光子能量大于禁带宽度以后，一开始就有强烈吸收，吸收系数陡峭上升，反映出直接跃迁过程。杂质吸收n束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。电子可以吸收光子跃迁到导带能级；空穴也同样可以吸收光子跃迁到价带（或者说电子离开价带填补了束缚在杂质能级上的空穴）。一般是红外吸收。n杂质吸收光谱也有长波吸收限：nEI为杂质上电子或空穴的电离能。n杂质能级
19、越深，能引起杂质吸收的光子能量越大，吸收峰越靠近本征吸收限。n对于大多数半导体，多数施主和受主能级很接近导带底和价带顶，因此相应的杂质吸收出现在远红外区（即波长很大）。IEh0动量关系：束缚状态无一定准动量，跃迁后状态不受波矢限制；可越迁至任意能级，引起连续吸收光谱。自由载流子吸收n自由载流子在同一带内的跃迁，即导带或价带中的电子从低能级跃迁到高能级。n自由载流子吸收中吸收的能量一般小于禁带宽度，一般是红外吸收。n吸收系数随着波长的增大而增强，这是由于跃迁能量间隔小，参与声子少。n形成连续吸收谱。Si激子吸收n如果光子能量小于禁带宽度，价带电子受激发后虽然跃出了价带，但还不足以进入导带而成为自
20、由电子，仍然受到空穴的库仑场作用（束缚）。n受激电子和空穴相互束缚而结合在一起成为一个新的系统，这种系统称为激子，这样的光吸收称为激子吸收。n激子在晶体中某一部位产生后，并不停留在该处，可以在整个晶体中运动；但由于它作为一个整体是电中性的，因此不产生电流。n激子的两种运动：分离、复合n激子的能级与氢原子类似，由一系列能级组成。电子和空穴完全脱离相互束缚，电子进入导带，空穴仍留在价带。晶格振动吸收n在晶体吸收光谱的远红外区，有时还会发现一定的吸收带，这是由晶格振动吸收形成的。n在这种吸收中，光子能量直接转换为晶格振动动能。n对离子晶体或离子性较强的化合物，存在较强的晶格振动吸收带；在III-V族
21、化合物如GaAs及半导体Ge、Si中，也都观察到了这种吸收带。光电探测的基本物理效应n光电导效应n光生伏特效应光电导效应n光吸收使半导体中形成非平衡载流子；而载流子浓度的增大使样品电导率增大。光生载流子定向流动形成电流。n这种由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。n本征吸收引起的光电导称为本征光电导。n杂质光电导：杂质密度比原子密度低很多，因此可忽略不计。n光敏电阻 h相对光电导n光电导的相对值n对本征光电导，。引入n要制成相对光电导高的光敏电阻，应该是n0和p0有较小的数值。因此，光敏电阻一般是用高阻材料或者在低温下使用。pnb/pnpnpnpnpn000000)1(pbnbn光电流n
22、没有光照时的电流密度：n没有光照时的电流：n在光照下，设每单位时间产生N个电子-空穴对，它们的寿命分别为n和p，平衡状态下产生率等于复合率，因此由于光辐射增加的电子和空穴浓度分别为：n光电导引起的光电流为：Ejd0LpnVAqLVAEAAjIpndd)(00002)()(LqNVLpnVAqLVAIppnnpnppnLANpLANn,光生伏特效应n当用适当波长的光照射非均匀半导体（pn结等）时，由于内建电场的作用（不用外加场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将pn结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建电场引起的光生效应，称为光生伏特效应。n光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数
23、载流子浓度却变化很大，因此主要研究光生少数载流子的运动。n由于pn结势垒区存在较强的内建电场（np），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进入p区，使势垒层降低（相当于正向电压）。于是在pn结两端形成了光生电动势，这就是pn结的光生伏特效应。光电池n光电池工作时有三股电流：光生电流IL，在光生电压V作用下的pn结正向电流IF，流经外电路的电流I。n根据pn结整流方程，在正向偏压V作用下，通过结的正向电压为：n式中V是光生电压，Is是反向饱和电流。IF从p区流向n区，而IL从n区流向p区。如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应为：
24、1expTkqVIIBsFLBsLFITkqVIIII1exp1exp0KTqVILI伏安特性曲线ILVOC1expTkqVIBsLBsITkqVI1expIV01lnIIqTkVLBoc光电转换效率%100inmPPPm=VmIm (最大输出功率)；Pin:入射太阳光的功率（一定条件下是常数）1exp0TkqVIIVIVPBLout由：由：因为：因为：0VPout有有TkqVIIVIVIIVBmLmmmLm其中111ln100光电探测器的性能参数n量子效率和响应速率n暗电流和噪声n响应时间光电探测器的材料n无论是直接带半导体还是间接带半导体，都能制成光电探测器。n半导体材料对光辐射的吸收遵从
25、下述指数规律：nP0为入射到半导体上的光功率，()为吸收系数,它是波长的函数。P(x)为体内x位置处的光功率。n当x=d=1/时，P(d)=P0(1-1/e)，此时的定义d为光子的穿透深度。)exp(1)(0 xPxP)(吸收系数与波长的关系n对于每种材料来说，在其本征吸收边处，有一陡峭的吸收边：n直接带材料的吸收系数比间接带材料陡峭得多，这是由于直接带隙中有更高的跃迁速率，因此在同样的光子能量下，吸收系数更大、亦即光穿透深度更小。gggEEhc24.1ggchhE依内部增益分类n有内部增益和无内部增益两大类n没有内部增益：光电二极管（Photo-Diode，简称PD）；PIN光电二极管；MS
26、M光电探测器n有内部增益：雪崩光电二极管（Avalanche Photo-Diode，简称APD）PD的结构和工作原理反向偏置的pn结，反向偏压的作用是加强内电场和加宽耗尽层。PD的工作原理nPD由一pn结组成，在入射光作用下，吸收区中产生电子-空穴对。npn结在外加反向偏置电压的作用有一耗尽层，电子和空穴在该区中以漂移速度分别向两端运动，在扩散区中它们则作扩散运动。n在外回路上形成光电流，在负载R上产生一定的压降，从而探测出光信号。n吸收区产生的电子和空穴以高的漂移速度分别向二极管的两个电极运动，但在耗尽层外因为只有速度低的扩散运动，从而影响了对光信号的响应速度。为了提高响应速度，方法之一是
27、加大反向偏压，使耗尽层宽度增加。n增大反向偏压是有限的，最好的方法是减少n区的掺杂浓度，使该区几乎达到本征半导体的状态，这就是PIN光电二极管。PIN PD的结构和工作原理PIN PD的工作原理n在p和n之间有一未掺杂i区。n由于掺杂浓度低，材料接近本征，在外加反偏置电场作用下，整个i区都为耗尽层。n光生载流子在电场作用下，会很快地扫过耗尽层而分别到达p区或n区。n在外电路上形成光电流，其响应速度也就大大地得到了提高。nPIN PD：p+层/i层/n+层结构的PDni层：intrinsic layerni层的掺杂比n+、p+层小得多，它也比n+、p+区宽得多，通常为5-50m，具体数据取决于具
28、体的应用。n为了简单起见，i-Si区就实际上是本征的。n优点：量子效率高-调节本征层吸收；响应速度快。异质结光电二极管n被检测光波与电子的相互作用主要在窄带，有效改善表面吸收及复合转换效率提高。n同质pn结光电二极管n异质pn结光电二极管npin结光电二极管缺点：光生载流子不能放大缺点：光生载流子不能放大1 max 雪崩电离效应np+ipn+多层结构中，在n+p结附近，有一高电场。光生电子和空穴在该区中被加速，获得很高的能量。n如果耗尽层内的场强等于或大于碰撞电离所需最小场强（Si中105V/cm），则光生载流子会去碰撞价带中的束缚电子使它们电离。新生载流子也会加速，并进一步产生电离载流子。这
29、种现象称为雪崩电离效应。n在二极管的击穿电压以下，产生的载流子总数是一定的。n在击穿电压以上，产生的载流子的数量则大得多。倍增效应npn结势垒中电子1碰撞出来一个电子2和一个空穴2，于是一个载流子变成了三个载流子。这三个载流子（电子和空穴）在强电场作用下，向相反的方向运动，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子-空穴对。空穴1也如此产生第二代、第三代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流子的方式称为载流子的倍增效应。n由于倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生pn结击穿。APD的结构和工作原理拉通型APDn器件结构：p+pn+。n“拉通”：反偏压增
30、大到雪崩击穿电压的90-95%时，耗尽层刚好“拉通”到几乎是本征的区。n在工作条件下，虽然区比p区宽得多，其电场也比高场区弱得多，但足以使载流子保持一定的漂移速度，在较宽的区内只需短暂的渡越时间。n这种将吸收区与倍增区溶为一体、而倍增区与漂移区分开的结构特点，使APD既得到内部增益，又可以得到高的量子效率和响应速度。n拉通型雪崩光电二极管是以完全耗尽的方式工作的。光经n+区进入器件，被吸收后产生电子-空穴对，达到n+p结处，需要电场的加速，通过倍增机理而发生倍增。n在区中，电场使产生的电子-空穴对分开。最终在外面的电路上产生光电流，并在负载电阻上产生电压降。n光电二极管中产生的所有载流子的倍增
31、系数M为：M=Im/Ip，IM为有倍增时的总输出电流，Ip为无倍增时的光电流。n激光n发光二极管n光电探测器n光纤及光纤通信光纤n光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。n纤芯和包层的相对折射率差=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%0.6%，多模光纤为1%2%。越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。光纤的结构和模式纤芯
32、n位置：光纤的中心部位n尺寸：直径d1=4 50 mmn材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，作用是提高纤芯折射率(n1)，以传输光信号包层n位置：位于纤芯的周围n尺寸：直径d2=125 mmn材料：高纯度SiO2，极少量掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层折射率(n2)，使之略低于纤芯折射率，使得光信号能约束在纤芯中传输单模光纤和多模光纤单模光纤(Signal Mode Fiber)：仅允许一个模式传播的光纤多模光纤(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式传播以某一角度射入光纤端面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称
33、为入射光的一个传播模式传播模式n判断一根光纤是否单模传输的两个因素：光纤结构参数；光纤中传播的光波长n纤芯半径光波波长：光纤中会存在大量传播模式n纤芯半径光波波长：光纤只允许一种模式在其中传播n对于给定波长单模光纤的芯径要比多模光纤小，例如，对于常用通信波长(如1550 nm)，单模光纤芯径在812mm，而多模光纤芯径 50 mm注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准单模光纤和多模光纤的特点单模光纤优点：不存在模间色散，带宽大，用于长途传输缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励多模光纤优点：芯径大，容易注入光功率，可
34、以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽色散与损耗n光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变(失真)，因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。n损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。n从光纤一端入射的光脉冲经光纤传输一段距离后，光纤输出端的光脉冲与输入端的相比较，波形发生了时间上的展宽（持续时间延长），这种现象称为色散。n光纤色散的产生的因素：其一是输入角不同，导致光走
35、的路程长短不同，其二是进入光纤中的光信号不是单色光（原因：光源发出的就不是单色光或调制信号有一定的带宽），其三是光纤对于光信号的色散作用（光通过棱镜）。可见，光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所组成的，而这些成分的传输速度不同，从而导致信号的畸变。n色散的直接后果是产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难模内色散材料色散n纤芯材料的折射率随光波波长变化（波长越短，折射率越大，复色光经棱镜后发生的色散现象），而折射率影响光波的传输速度，从而使得同一传输模式中的不同波长的光波速度不同，到达终点所需的时间长短也就不一样。n材料色散主要是由光源的光谱宽度所引起。不变）是，（光在不同介质中传播
36、ffncvfA123123模内色散波导色散n理想情况下，光波只在纤芯中传输，但由于光纤的任何结构、形状等方面的不完善，使得光波一部分在纤芯中传输，另一部分在包层中传输，由于纤芯与包层的折射率不同，速度不同，造成脉冲展宽。n波导色散主要由光纤的几何结构所引起。一般波导色散比材料色散小。普通石英光纤在波长1310nm附近波导色散与材料色散可以相互抵消，使二者总的色散为零。单模光纤中传播模80%能量在纤芯,20%能量在包层模间色散n由于不同传输模式的传输路径不同，因而其传输常数、群时延、群速度不同造成到达终点的时间不同而引起脉冲展宽，这种现象称为“模间色散”。n它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料
37、折射率的波长特性有关。光纤损耗n光波在光纤中传输时，随着距离的增加，其强度（幅度）会逐渐减弱。光纤对光波的衰减作用，称为光纤的传输损耗。光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统的传输距离。目前使用的单模光纤在三个通信窗口内的损耗典型值如下：0.85 1.311.55设传输距离 L，输入功率 Pi，则由上式可得到：Pi 光功率：于是损耗系数：PdzdPLioutePPNp/kmln1outiPPLdB/kmlg10outiPPLmdB/km2.025.0第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射
38、0.20.22.52.5损损 耗耗 (dB/km)(dB/km)波波 长长 (nm)(nm)OHOH离子吸收峰离子吸收峰第三传输窗口第三传输窗口在在1.551.55 m m处处最小损耗约最小损耗约为为0.20.2dB/kmdB/km常用单模光纤损耗曲线光纤通信的主要特征n大容量n损耗低、中继距离长n抗干扰能力强n保密性强n体积小、重量轻n光纤的原材料取之不竭光纤通信系统的构成n光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成(单向传输)信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信
39、号输入电信号输出光发射机n光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。n光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。n目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)，以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。光纤线路n光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小
40、的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。n光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。n光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都尽可能地小，而且有足够好的机械特性和环境特性，例如，在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特性稳定。n目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。n单模光纤配合半导体激光器，适合大容量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更
41、加合适。n石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 um、1.31 um和1.55 um有三个损耗很小的波长“窗口”。在这三个波长窗口损耗分别小于2dB/km、0.4 dB/km和0.2 dB/km。n作为光源的激光器的发射波长和作为光检测器的光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。光接收机n光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。n光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成光检测器是光接收机的核心。n对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。n目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。
